دور الطاقة المتناهية الصغر في الطاقة اللامركزية

وقد برزت الطاقة المتجددة كركيزة أساسية لنظم الطاقة اللامركزية الحديثة والهيكلات ذات الصبغة الصغرية، حيث أن أسواق الطاقة العالمية تبتعد عن الجيل المركزي المعتمد على الوقود الأحفوري، وتوفر الطاقة الريحية بديلاً قابلاً للتكرار وفعالاً من حيث التكلفة، وخالياً من الانبعاثات يمكن نشره بالقرب من المستعملين النهائيين، وتُوزع التكنولوجيا من التربينات الصغيرة الوحيدة التي تخدم المجتمعات الريفية إلى مجموعات متعددة الأطقم التي تعمل بالمشاريع الصغيرة.

فهم نظم الطاقة اللامركزية والزجاجات الصغيرة

وتحوّل نظم الطاقة اللامركزية النموذج التقليدي لتوليد الكهرباء بعيداً عن محطات توليد الطاقة الكبيرة التي توجد من بعد إلى أصول أصغر حجماً، وموزعة بالقرب من نقاط الاستهلاك، ويقلل هذا النهج من خسائر النقل، ويعزز قدرة المجتمعات المحلية على تحمل الشبكات، ويمكّنها من الاستفادة من الموارد المتجددة المحلية، وتمثل هذه المحاجر تنفيذاً محدداً لللامركزية: شبكات الطاقة المحلية التي يمكن أن تعمل في شكل مترابط على الشبكة أو في الجزر، وتستوعب مصادر مستقلة، وتمارسة، وتُت مصادر مستقلة ذاتياً ذاتياً ذاتياً ذاتياً ذاتياً، وتُت مصادرً ذاتياً ذاتياً ذاتياً ذاتياً ذاتياً، وتُها، وتُدمج فيها مصادر الطاقة الصغيرة، في إطار مزيجاً من مصادر الطاقة الصغيرة.

السوق العالمية للزجاجات الصغيرة شهدت نمواً مستمراً، مدفوعاً بخفض تكاليف الطاقة المتجددة، وتواتر متزايد للظواهر الجوية الشديدة، والحاجة إلى الوصول إلى الطاقة في المناطق النائية والمناطق النائية خارج الشبكة، وفقاً لتحليل الصناعة، ارتفع عدد المنشآت المتناهية الصغر في العالم زيادة حادة خلال العقد الماضي، حيث تلعب الطاقة الريحية دوراً هاماً بشكل خاص في المناطق ذات الموارد الريحية القوية والمتسقة،

(و) إنّها تُحدّد الحاجة إلى البنية التحتية لنقل الطاقة البعيدة المدى، والتي هي مكلفة ومُعرضة لنقاط الفشل، وتسمح للمجتمعات المحلية بالاحتفاظ بالقيمة الاقتصادية من الكهرباء المولدة محلياً، وتوفر مساراً لإدماج التخصيب العالي للطاقة المتجددة دون زعزعة الشبكة الأوسع، ولهذا السبب، فإنّ واضعي السياسات والمرافق على حد سواء ينظرون بشكل متزايد إلى نظم الطاقة اللامركزية كعنصر انتقالي وطني.

دور قوة الرياح في ميكروغريدز

وتتناسب الطاقة الكهربائية بشكل خاص مع التطبيقات ذات النطاقات الصغرى بسبب قدرتها على التصعيد، وانخفاض تكاليف التشغيل، والقدرة على إنتاج الكهرباء خلال فترات قد تكون فيها مصادر متجددة أخرى غير متاحة، ويمكن تركيب أوعية ريح صغيرة، تُقيَّم عادة بين 1 كيلوواط و100 كيلوواط، على أفران تتراوح بين 30 و120 قدما في المرتفعات، مما يجعلها قابلة للتطبيق في المزارع والمدارس والمرافق التجارية والمجتمعات المحلية النائية البالغ عددها 100 كيلوواط.

ومن السمات المميزة للطاقة الريحية في سياقات المايكريد، تكاملها مع الجيل الضوئي الشمسي، وفي العديد من المواقع الجغرافية، تزداد سرعة الرياح خلال الليل وخلال أشهر الشتاء، عندما يكون الناتج الشمسي منخفضا، وهذا التنوع الزمني يُيسر منحنى الإمداد بالطاقة الكلية، ويقلل الحاجة إلى القدرة على تخزين الطاقة، ويحسن موثوقية النظام عموما، ويمكن للتحكم في الطاقات الصغرى المتقدمة أن تُعزز هذا التكامل من خلال التصورات الجوية القائمة على النواتج.

التطبيقات عبر أنواع مختلفة من المايكرويد

ويمكن العثور على ميكروفيدات تعمل بالرياح في مجموعة متنوعة من البيئات، ولكل منها خصائص تقنية واقتصادية متميزة، ففي المجتمعات النائية والخارجة من المناطق، حيث كانت مولدات الديزل هي المصدر الرئيسي للكهرباء، فإن التوربينات الريحية توفر مساراً لخفض تكاليف الوقود والانبعاثات، وعلى سبيل المثال، فإن نظم الديزل الريحية في ألاسكا وكندا قد أظهرت وفورات في الوقود تتراوح بين 30 و60 في المائة، مع فترات الانقطاع عن الدفع.

وفي المناطق المتناهية الصغر التي تربطها شبكات، تسهم الطاقة الريحية في خفض الطلب، وتصلب الذروة، والقدرة على التكيف، ويمكن للمرافق التجارية والصناعية التي تولد الرياح في الموقع أن تقلل من فواتير الكهرباء التي تستهلكها عن طريق تعويض استهلاك الطاقة من الشبكة، مع توفير الطاقة الاحتياطية أثناء فترات انقطاع الكهرباء، كما أن المنشآت المؤسسية، مثل الجامعات والمستشفيات، قد اعتمدت حواجز صغيرة تعمل على ضمان استمرار العمليات الحرجة خلال فشل الشبكات.

إنّ مُجَرَّدَاتُ الجزيرةِ تُمثّلُ طلباً قَدْماً خاصاً لتَسْمُل الطاقةِ الريحيةِ.

ألف - مزايا قوة الرياح في النظم اللامركزية

المتجددة والنظيفة

ولا تنتج الطاقة المتجددة غازات الدفيئة أو المواد الجسيمية أو ملوثات الهواء الأخرى أثناء التشغيل، وفي النظم اللامركزية، تتضخم هذه المنافع البيئية بفقدان نقل الطاقة: فالكهرباء التي تولد وتستهلك محلياً من الكهرباء التي يمكن أن تولد من الفحم أو الغاز الطبيعي، وتحلل دورة الحياة من مسارات الريح - حساب التصنيع، والتركيب، والصيانة، وإلغاء القدرة على توليد الطاقة الكهربائية - أي أهداف تتعلق بخفض انبعاثات الكربون في كل ساعة

تكاليف التشغيل الفعالة والقابلة للتنبؤ

وبالرغم من أن التوربينات الريحية تتطلب استثمارات رأسمالية كبيرة، فإن تكاليف تشغيلها منخفضة ويمكن التنبؤ بها، فعندما يتم تركيبها، لا تكون لتركيبات الرياح تكاليف وقود، ونفقات الصيانة تتراوح عادة بين 1 و 2 سنتاً لكل كيلوت ساعة على مدى فترة تصميم التوربين 20 إلى 25 سنة، وينخفض حجم عوامل الديزل التي كثيراً ما توفر للمشغلين الطاقات الكهربائية الطويلة الأجل استقراراً في الأسواق الأحفورية.

استقلال الطاقة والأمن

وتخفض موارد الرياح المحلية الاعتماد على الوقود المستورد، وخطوط الانتقال البعيدة المدى، ومحطات الطاقة المركزية، وبالنسبة للمجتمعات المحلية المعزولة جغرافيا أو المعرضة سياسيا لاضطرابات الإمداد، فإن استقلال الطاقة هذا له قيمة استراتيجية، ويمكن للموجات الدقيقة التي تُقدر بالرياح أن تحتفظ بخدمات حاسمة خلال فترات انقطاع الشبكات، أو الكوارث الطبيعية، أو النزاعات الجيوسياسية، وقد أثبتت فوائد القدرة على التكيف التي توفرها الطاحن الريحية في مناطق انقطاع الكهرباء الرئيسية:

Resilience and Grid Support

ويمكن أن تعمل التوربينات الفائزة بمعزل عن الشبكة الرئيسية، مما يجعلها مناسبة تماماً لعملية المايكريد المصغر في الجزر، وفي إطار طريقة الربط الشبكي، يمكن أن توفر الطاقة الريحية خدمات إضافية مثل دعم الفولط، وتنظيم التردد، ومراقبة القدرة الاستباقية عندما تقترن بشبكة إلكترونية حديثة للطاقة، وتساعد هذه القدرات على تثبيت الشبكة المحلية وتيسير زيادة التغلغل في مصادر متجددة متغيرة أخرى.

استراتيجيات التكامل من أجل الطاقة الشتوية في مجاري

ويتطلب إدماج الطاقة الريحية في المايكرويد تخطيطا دقيقا عبر عدة أبعاد: تقييم الموارد، وتركيب الاضطرابات، وإضفاء الطابع على النظم، وهيكل التحكم، والامتثال التنظيمي، وكل من هذه العوامل يؤثر على الأداء التقني والقابلية الاقتصادية للاستمرار في المايكريد المزود بالطاقة الرياح.

تقييم الموارد واختيار الموقع

أما تقييم الموارد الفائزة فهو أساس أي مشروع للطاقة الريحية، وهذا يشمل عادة جمع بيانات سرعة الرياح واتجاهها في الموقع في ارتفاع مركزي لفترة لا تقل عن 12 شهرا، كما أن أجهزة القياس والكشف عن الصوت وتراوحه، ونظم الكشف عن النور وتدبيرها، هي التي عادة ما تستخدم لهذا الغرض، وتُبلغ البيانات تقديرات إنتاج الطاقة السنوي، ومعامل التربيل، والعقبات التي تُحد من آثارها.

وضع النظم وتشريدها

(أ) [يشمل استحداث طقس ريحي لغطاء مصغر توازن القدرة على توليد الطاقة مع متطلبات التحميل، والقدرة على التخزين، والتوليد الاحتياطي؛ ويمكن أن يؤدي الإفراط في التقليص إلى انخفاض كبير في حجم الطاقة وإهدارها؛ ويمكن أن يؤدي النقص إلى عدم كفاية اختراق الطاقة المتجددة والاعتماد المستمر على الوقود الأحفوري.() ويستخدم مصممو النظم عادة أدوات المحاكاة التي تستخدم نموذجاً لطاق الرياح في الساعة، وملام للبطاقات البطارية، وتوليد المولدات المولدات المولدات المولدات المولدات المولدات المولدات المولدات المولدات المولدات المولدات المولدات المولدات المولدة على نطاق واسع

المراقبة وإدارة الطاقة

:: أن تنسق نظم مراقبة الأحجار الصغيرة تشغيل التوربينات الريحية، والصفائف الشمسية، وتخزين البطاريات، والمولدات الاحتياطية، والشحنات اللازمة للحفاظ على استقرار التطاير والتواتر، مع زيادة استخدام الطاقة المتجددة إلى أقصى حد، وتشتمل أجهزة التحكم في الأحشاء الصغرى الحديثة على الرقابة على العمليات الجوية واقتناء البيانات، وتفضيل نماذج الرقابة على التكهن، وتحقيق الاستخدام الأمثل للنواتج الريحية.

التحديات والحلول

وعلى الرغم من مزاياه، فإن إدماج الطاقة الريحية في المناطق المجهرية يمثل تحديات هندسية وتشغيلية واقتصادية يجب التصدي لها من خلال التصميم الدقيق والخيارات التكنولوجية المناسبة.

التباين والتداخل

وتتفاوت سرعة الرياح على نطاق زمني يتراوح بين ثوان ومواسم، مما يؤدي إلى تقلبات في ناتج الطاقة التي يجب أن تكون متوازنة من موارد المايكرويد الأخرى، وتختلف القدرة الاحتياطية القصيرة الأجل، التي تسببها الكتل والاضطرابات، عن طريق تخزين البطاريات السريعة الاستجابة والضوابط الإلكترونية للطاقة، وتعوض التقلبات الطويلة الأجل، الناجمة عن أنماط تواتر الطقس والتغيرات الموسمية، عن وجود قدرة تخزين كافية وتوليد احتياطي.

Site-Specific Constraints

ولا تتوفر لكل موقع موارد رياحية كافية لتبرير الاستثمار الرأسمالي في التربينات الريحية، وقد يجد المايكرويج في المناطق المنخفضة الوجوه أن الطاقة الشمسية توفر اقتصادات أفضل، في حين أن المواقع ذات الرياح المضطربة أو الشديدة التغير قد تفرض أعباء ميكانيكية مفرطة على التربينات، مما يقلل من عمرها، كما أن القيود البيئية، مثل ممرات هجرة الطيور، وأنظمة الضوضاء، وشواغل الأثر البصري، يمكن أن تحد من اختيار مواقع الترب البيئية.

التخزين وإدارة الطاقة

وتقترن نظم تخزين البطاريات على نحو دائم تقريباً بتركيبات الرياح في تطبيقات الأحجار الصغرى، ويستوعب نظام التخزين طاقة الرياح الزائدة خلال فترات الجيل المرتفع والحمولة المنخفضة، ويطلقها عندما ينخفض ناتج الرياح أو يزيد من الحمولة، ويستلزم توسيع نطاق نظام التخزين بموازنة مدة رأس المال مع المستوى المرغوب فيه من تقلب الطاقة المتجددة وموثوقيتها.

ويمثل تخزين الهيدروجين خياراً جديداً لتخزين الطاقة الطويلة الأجل في الحاجات الميكرويّة العاملة بالطاقة الريحية، ويمكن للطاقة الريحية أن تُشغل كهربائياً لإنتاج الهيدروجين، الذي يُخزن ويُحوَّل لاحقاً إلى الكهرباء من خلال خلية وقود أو محرك احتراق، وبينما تُعتبر كفاءة المرحلتين الأمامية أقل من تخزين البطاريات، فإن عروض تخزين الهيدروجين لا تكون محددة أساساً ويمكن توسيعها مقارنةً بتطبيقات العالية الطاقات.

الحواجز الاقتصادية والتنظيمية

وتظل التكلفة الرأسمالية الأولية للطوابق الريحية وما يرتبط بها من مكونات موازين النظام عائقا أمام العديد من المطورين من الشبكتين الصغرى، ولا سيما في البلدان النامية والمجتمعات النائية، وكثيرا ما يتطلب تمويل المشاريع الصغيرة الحجم ذات الطاقة الريحية منح أو قروض ميسرة أو شراكات بين القطاعين العام والخاص لتحقيق عائدات قابلة للاستمرار.() ولم تواكب الأطر التنظيمية في العديد من الولايات القضائية نمو نظم الطاقة اللامركزية، مما يخلق عدم يقين بشأن متطلبات الملكية المشتركة بين الشركات(24).

الابتكارات التكنولوجية التي تقود المايكرويدات ذات الدفعات المتوسطة

وهناك اتجاهات تكنولوجية عديدة تتوسع في قدرة الريح على البقاء وأدائها في نظم الطاقة اللامركزية، وتعالج هذه الابتكارات التحديات الرئيسية المتمثلة في التقلب والتكلفة وتعقيد التكامل.

تصميمات توربين متقدمة

وقد تطورت تكنولوجيا التربينات الريحية الصغيرة تطورا كبيرا، حيث شهدت تحسينات في الديناميكا السائلة، وكفاءة المولدات الكهربائية والإلكترونيات الكهربائية، وقد حلت المولدات المغناطيسية الدائمة التي تعمل مباشرة محل المحركات المتحركة في كثير من التربينات الصغيرة، مما أدى إلى خفض احتياجات الصيانة وتحسين الموثوقية، كما أن عمليات سرعة الريح، التي تتيح للمتحولينات المتقدمة القدرة على استخراج أقصى قدر من الطاقة عبر مجموعة أوسع من الاضطرابات البصرية في الوقت الذي يقل فيه الإجهاد.

التوائم الرقمية والتحليل الافتراضي

وتطبق تكنولوجيا التوأم الرقمية على الحاجات الدقيقة التي تعمل بالطاقة الريحية، وتخلق نماذج افتراضية للنظام المادي الذي يحاكي الأداء في ظروف مختلفة، ويستخدم العاملون التوأم الرقمي لتحسين التربين، واحتياجات الصيانة، واستراتيجيات مراقبة الاختبار قبل تنفيذها في الميدان، ويتسبب التقلبات الدوائية في زيادة دقة بيانات الرياح التاريخية، ومقاييس الأداء التربويئي، والتنبؤات المتعلقة بالأخطار

الحلول النموذجية والمستدامة

ويجعل الاتجاه نحو الحلول النموذجية والصغيرة الحاوية القدرة على الوصول إلى الطاقة الريحية أكثر سهولة بالنسبة للتطبيقات الصغيرة النطاق، إذ أن أجهزة الصهاريج الصغرى المصممة مسبقا والتي تحتوي على توربينات الرياح، وألواح شمسية، ونظم تخزين البطاريات، ونظم التحكم يمكن نشرها بسرعة بأقل قدر ممكن من العمل في الموقع، وهذه الحلول جذابة بشكل خاص بالنسبة للمجتمعات النائية، وعمليات الإغاثة في حالات الكوارث، والمواقع الصناعية المؤقتة.

التوقعات المستقبلية والاتجاهات السوقية

ويسود دور الطاقة الريحية في نظم الطاقة اللامركزية من أجل تحقيق نمو كبير خلال العقد القادم، إذ يتناقص تكاليف التربين، وتحسين اقتصاديات التخزين، وأطر السياسات الداعمة، ويشترك في جعل الطاقات الصغيرة ذات الطاقة الريحية أكثر قدرة على المنافسة عبر مجموعة واسعة من التطبيقات، ويوفر مشروع محللي الأسواق الذي يوزع طاقة الرياح بمعدل سنوي يتراوح بين 8 و 12 في المائة و 2035، ويعرض الطاحون الريحية الصغيرة على أسواق جديدة متزايدة.

أولا، إن انخفاض تكلفة تخزين البطاريات يتيح زيادة تغلغل الطاقة المتجددة في المناطق المجهرية، مما يقلل من الحاجة إلى توليد الديزل الاحتياطي وتحسين اقتصاد الطاقة الريحية، وثانيا، فإن أوجه التقدم في تكنولوجيا مراقبة الأحجار الصغرى تجعل من السهل إدماج مصادر الطاقة المتجددة المتعددة، وإدارة التقلبات، والمحافظة على الاستقرار بأقل قدر من التدخل البشري، ثالثا، إن تزايد تواتر الأحداث الجوية الشديدة يؤدي إلى زيادة الطلب على نظم الطاقة الريحية.

ستستمر التطورات في السياسة العامة في القيام بدور حاسم، توسيع نطاق الائتمانات الضريبية للإنتاجية للطاقة الريحية، وتوافر الائتمانات الضريبية للاستثمار لتخزين البطاريات، وإنشاء برامج المنح الصغيرة في عدة بلدان يدعم نمو السوق، وتوحيد متطلبات الربط وهياكل التعريفات الجمركية للزجاجات الصغيرة سيخفض تكاليف المعاملات ويعجل النشر في الاتحاد الأوروبي، تشمل مجموعة الطاقة النظيفة لجميع الأوروبيين أحكاما تعترف بجماعات الطاقة المحلية، وييسر مشاركتها في أسواق الكهرباء.

إن إدماج الطاقة الريحية في الجيل القادم من الجيل المجهري، مع توزيع موارد الطاقة الأخرى - فولاذ، وتخزين البطاريات، والهيكل الأساسي لشحن المركبات الكهربائية، وإرادة الاستجابة للطلبات، سيحدد الجيل القادم من الجيل القادم من الخضر، وستوفر هذه النظم المتكاملة قدرا أكبر من المرونة والقدرة على التكيف والقيمة الاقتصادية من أي تكنولوجيا بمفردها، حيث أن تكاليف المعدات لا تزال تتدهور وتصبح نظم التحكم أكثر تطورا، وستصبح المايكريدزحلق على نحو متزايد القدرة على نحو جذاب للمجتمعات المحلية، والمشاريع التجارية، والمؤسسات التي تسعى إلى الاستقلال.

إن مساهمة الطاقة الريحية في نظم الطاقة اللامركزية تمتد إلى ما هو أبعد من توليد الكهرباء، وهي تمثل تحولاً نحو الملكية المحلية لموارد الطاقة، والقدرة على التكيف مع المجتمعات المحلية، والاحتفاظ بالقيمة الاقتصادية الطويلة الأجل، وبالنسبة للمجتمعات النائية، فإن شبكات الطاقة الصغيرة ذات الطاقة الريحية توفر طريقاً بعيداً عن الاعتماد الباهظ التكلفة والملوث للديزل، وتوفر المرافق الصناعية القدرة على التنبؤ بالكلفة واستمرارية التشغيلية، بالنسبة للدول الجزرية، فهي تخفض من التعرض لأسعار غير المستقرة في استهلاك الوقود.

والمسار واضح: فمع استمرار تحسن تكنولوجيا التربينات الريحية، لا تزال تكاليف التخزين تتناقص، وازدياد قوة القدرة على مواجهة الطاقة، ستتحول الطاقة الريحية إلى عنصر مركزي متزايد من المشهد اللامركزي للطاقة، ولا يمثل توسيع نطاق المايكريدات المزودة بالطاقة الريحية تطوراً تقنياً فحسب، بل يمثل إعادة نظر أساسية في كيفية توليد الكهرباء وتوزيعها واستهلاكها من نموذج للتحكم المركزي في أحد أشكال التمكين،